CC BY
6
НАУЧНАЯ СТАТЬЯ / RESEARCH PAPER УДК 624.04
DOI: 10.22227/2305-5502.2022.3.3
Численный анализ огнезащиты стальных конструкций
Артем Анатольевич Бунов1, Нина Викторовна Корнилова2
1 Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет
(НИУ МГСУ); г. Москва, Россия; 2 ЭталонПроект; г. Москва, Россия
АННОТАЦИЯ
Введение. При проектировании зданий и сооружений необходимо проводить комплекс расчетов, подтверждающих выполнение условий предельных состояний. Расчеты осуществляются на основное и особое сочетания нагрузок и воздействий. К числу особых нагрузок можно отнести температурные воздействия от взрывов и пожаров. Такого рода воздействия значительно снижают несущую способность металлических конструкций. Для защиты металлических конструкций от температурных влияний следует использовать оптимально подобранные материалы огнезащиты (лаки, краски, различные виды облицовок). Численные методы расчета производить выполнять анализ работы строительных конструкций при температурных воздействиях и помогают подбирать необходимые характеристики и толщины материалов огнезащиты.
Материалы и методы. Рассмотрено влияние огнезащиты в виде облицовки из гипсокартонных листов огнестойких (ГКЛО) на примере металлической шарнирно опертой балки. Для получения предела огнестойкости балки с облицовкой применялись аналитический и численный методы расчетов. Аналитический метод основан на проведенных лабораторных исследованиях огнестойкости, в результате которых получены номограммы. Численный метод реализован в ПК Лира 10.12.
Результаты. При помощи аналитического и численного методов определены пределы огнестойкости для балки с облицовкой из ГКЛО. При решении задачи численным методом получены мозаики температурного поля в элементах по толщине конструкции, а также графики изменения температуры и температурных полей во времени. Полученные результаты исследований показали хорошую сходимость.
Выводы. Использование численных методов дает возможность оперативно и оптимально подбирать требуемую толщину огнезащиты для стальной конструкции. Результаты расчетов сильно зависят от заданных характеристик рассматриваемых материалов, а также среды, в которой происходит теплопередача.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: огнестойкость, огнезащита, пожар, взрыв, теплопроводность, теплоемкость, теплообмен, температура, воздействие, балка, конечно-элементная модель, аналитический метод, численный метод
ДЛЯ ЦИТИРОВАНИЯ: Бунов А.А., Корнилова Н.В. Численный анализ огнезащиты стальных конструкций // Строительство: наука и образование. 2022. Т. 12. Вып. 3. Ст. 3. URL: http://nso-journal.ru. DOI: 10.22227/23055502.2022.3.3
Автор, ответственный за переписку: Артем Анатольевич Бунов, a_bunov@mail.ru.
If?
п
Steel structures: numerical analysis of fire proofing
Artem A. Bunov1, Nina V. Kornilova2
1 Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU);
Moscow, Russian Federation; 2 EtalonProject; Moscow, Russian Federation
в ABSTRACT
ce Introduction. A set of calculations validating the conditions of limit states is to accompany the design of buildings and
structures. Calculations of standard and non-standard combinations of loads and impacts are performed. Special loads include temperature effects from explosions and fires. Such effects greatly reduce the bearing capacity of metal structures. ^ To protect metal structures from temperature effects, optimally selected fire proofing materials (varnishes, paints, various
types of cladding) should be used. Numerical calculation methods allow analyzing the performance of building structures, & exposed to temperature effects, and help select the necessary characteristics and thicknesses of fire proofing materials.
о ® Materials and methods. A metal hinged beam is used to analyze the influence of fire proofing, or lining made of fire-
resistant gypsum sheets (FRGSh). Analytical and numerical methods of calculations were used to obtain the fire resistance limit of beams with cladding. The analytical method is based on the laboratory studies of fire resistance, as a result of which nomograms were obtained. The numerical method is implemented by Lira 10.12 software package. Results. Analytical and numerical methods were used to identify the fire-resistance limits for a beam that had FRGSh cladding. Temperature field mosaics in the elements along the thickness of the structure, as well as graphs of temperature changes and temperature fields in time were obtained using the numerical method. The obtained results showed good convergence.
60 © А.А. Бунов, Н.В. Корнилова, 2022
Распространяется на основании Creative Commons Attribution Non-Commercial (CC BY-NC)
U CS
•a m С ®
03 n
Conclusions. The use of numerical methods makes it possible to quickly and optimally select the required thickness of fire proofing for a steel structure. Calculation results are highly dependent on the characteristics of the materials in question, as well as the heat transfer environment.
KEYWORDS: fire resistance, fire protection, fire, explosion, thermal conductivity, heat capacity, heat transfer, temperature, impact, beam, finite element model, analytical method, numerical method
FOR CITATION: Bunov A.A., Kornilova N.V. Steel structures: numerical analysis of fire proofing. Stroitel'stvo: nauka i obra-zovanie [Construction: Science and Education]. 2022; 12(3):3. URL: http://nso-journal.ru. DOI: 10.22227/2305-5502.2022.3.3
Corresponding author: Artem A. Bunov, a_bunov@mail.ru.
ВВЕДЕНИЕ
Помимо стандартных условий работы конструкций на эксплуатационную нагрузку, здания могут подвергаться аварийным воздействиям, в том числе взрывам и пожарам, которые создают среду высоких температур. Критические температуры, при которых стальные конструкции начинают терять несущую способность, начинаются от 400 °С. Потеря несущей способности элементов каркаса может привести к обрушению здания и человеческим жертвам, поэтому обеспечение необходимой огнестойкости строительных конструкций является актуальной задачей.
В целях создания требуемой надежности здания на восприятие температурных воздействий для элементов конструкций устанавливают пределы огнестойкости — промежуток времени между началом огневого воздействия в условиях стандартных испытаний и наступлением нормированного предельного состояния испытываемой конструкции. Добиться требуемого предела огнестойкости можно с помощью оптимально подобранного материала огнезащиты (лаки, краски, различные виды облицовок) и его толщины [1-10].
Решение температурной задачи для строительных конструкций трудоемко ввиду сложной пространственной формы конструкций и влияния многих факторов. На сегодняшний день наиболее полный учет всех факторов при решении температурной задачи возможен только с применением метода конечных элементов (МКЭ) [11-23].
Цель данной работы — разработка методики подбора оптимальной огнезащиты стальных конструкций с помощью численных методов на примере ПК Лира 10.12.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Рассмотрим влияние огнезащиты в виде облицовки из гипсокартонных листов огнестойких (ГКЛО) толщиной 35 мм на примере металлической
шарнирно опертой балки, пролетом I = 12 м. Сечение двутавра № 45Б2 принято по стандарту1. Двутавр изготовлен из стали С345 (Я = 345 МПа). Нормативная нагрузка на балку qn = 15 кН/м (рис. 1). Для ГКЛО примем величину коэффициента теплопроводности К = 0,412 Вт/(м°С). Коэффициент поверхностного теплообмена К1 = 6 Вт/(м2°С).
Определим предел огнестойкости для принятого варианта огнезащитного покрытия с помощью двух методов:
• аналитический метод (по стандарту2, 3);
• численный метод (ПК Лира 10.12).
Аналитический метод состоит из нескольких
этапов и основан на проведенных лабораторных исследованиях огнестойкости, в результате которых получены номограммы.
Численный метод реализован в ПК Лира 10.12 в системе «Теплопроводность» во временной области. Для решения нестационарной задачи теплопроводности используется неявная схема интегрирования:
[C ]
Т . - T
I+1_1_
Ат
[к ]Т+i = F,
(1)
где Т , Т. — векторы температур в текущий и следующий моменты времени; Дт — шаг по времени (шаг дискретизации); F. — вектор правой части в текущий момент времени.
Для решения задачи необходимо смоделировать КЭ-схему (рис. 2).
777777
Рис. 1. Распределение нагрузки на балку
1 ГОСТ Р 57837-2017. Двутавры стальные горячекатаные с параллельными гранями полок. Технические условия.
2 СТО АРСС 11251254.001-018-03. Проектирование огнезащиты несущих стальных конструкций с применением различных типов облицовок.
3 СТО АРСС 11251254.001-016. Проектирование огнезащиты несущих стальных конструкций многоквартирных жилых зданий.
И
ел
ев
оо
Динамическая нагрузка (узловые силы) Отметка 2 = 0
О
Слой поверхностного теплообмена
О
Слой ГКЛО (толщина 35 мм)
Слой металла (приведенная толщина — 7,44 мм)
Рис. 2. КЭ-схема
Величина температурного воздействия определяется в соответствии с ГОСТ4, как для стандартного температурного режима:
Т-Т0 = 345-18(8/ + !),
(2)
где Т — температура в печи, соответствующая времени t, °С; Т0 — температура в печи до начала теплового воздействия, °С; / — время, исчисляемое от начала испытания, мин.
График температурного воздействия представлен на рис. 3.
Температурное воздействие задается на слой облицовки из ГКЛО через слой поверхностного теплообмена. Слой поверхностного теплообмена выполнен в виде одномерных элементов, которые применяются для моделирования граничного условия Ньютона - Рихмана:
д = а(Т-Т0),
где q — мощность теплового потока через площадку единичной площади на границе среды; а — коэффициент поверхностного теплообмена.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Для использования аналитического метода первоначально выполним прочностной расчет, с помощью которого определим критическую температуру исследуемой конструкции. Для изгибаемых элементов необходимо вычислить у — температурный коэффициент снижения сопротивления стали:
У,=
м„
(4)
(3)
где Ып — максимальный изгибающий момент от нормативной нагрузки, Нм; Ж — момент сопротивления сечения, м3; Куп — нормативное сопротивление стали по пределу текучести, Па.
1052,5000
из
е>9
И
и
еч
Ш Я Л в С в
0 со
и °с
10 000,00
Рис. 3. График температурного воздействия
4 ГОСТ 30247.0-94. Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Общие требования. 62
2
Значение М зависит от схемы опирания конструкции и схемы приложения нагрузки. Для случая равномерно нагруженной шарнирно опертой балки:
q • l2 15-122 Mn = ^-=-= 270 кН• м,
Y, =
270 •ÎO8
(5)
14,86 • 10 ^ + 345 •ÎO6
= 0,527.
По табл. 3 [15] установим критическую температуру стержня t :
( = 520,38 °С.
сг ^
Далее определяем приведенную толщину металла:
^ 9676 „ „„
5т = — =-= 7,44 мм. (6)
05 П 1300 v '
С помощью номограмм [15] и критической температуры определяем пределы огнестойкости т1 и т2. Выбираем номограммы с ближайшими значениями критической температуры t = 500 °С и t = 550 °С, и для приведенной толщины металла находятся два значения предела огнестойкости (рис. 4):
240 230 220 210 200
1 2 3 4 5 6 7 8 9
10 11 12
Приведенная толщина металла, мм Толщина огнезащитной облицовки из листов ГКЛО
240 230 220 210 200 190 180 ' 170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
у У
щ У
У
у у
У к
s щ g у
s s у
. ж У
у S
/ У у У У
1 г1 У' у m у s
S у ш у /
у
X
у /
И
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Приведенная толщина металла, мм Толщина огнезащитной облицовки из листов ГКЛО
15 мм * 20 мм 25 мм 30 мм
--35 мм -■■ • 40 мм 45 мм 50 мм
15 мм 20 мм 25 мм 30 мм
35 мм 40 мм 45 мм 50 мм
Огнестойкость стальных конструкций с огнезащитной облицовкой из ГКЛО при ^ = 500 °С
Огнестойкость стальных конструкций с огнезащитной облицовкой из ГКЛО при ^ = 550 °С
Рис. 4. Номограммы t , = 500 °C и t , = 550 °C
1 cri cr2
т1 = 148 мин; т2 = 155,5 мин.
Интерполируя данный отрезок, получаем значение предела огнестойкости при (сг = 520,38 °С:
т1 = 151,08 мин.
Выполним расчет и получим результаты численным методом в ПК Лира 10.12. Результаты расчетов приведены ниже (рис. 5, 6).
Согласно результатам численного расчета металл балки достиг температуры t = 520,38 °С в момент времени 9300 с, что равно 155,0 мин.
Определим погрешность результатов, полученных в ПК Лира 10.12, по сравнению с аналитическим решением:
А =
|151,08 -155,0|
155,0
100 % = 2,53 %
(7)
и
се
ев
оо
5
Температурное поле по элементам (°C)
II II I I I
520,31 535,91 551,5 567,09 582,69 598,28 613,87 629,47 645,06
2..9300. 9300 момент времени (t = 9299 с)
min = 520.3 (857); max = 645.1 (536)
Рис. 5. Мозаика температурного поля в элементах по толщине конструкции
548,51
Температура, °С
10,001
If9 е>9
И
и
еч
W Я
■а ta
С в
0 со
-2,205E-
Рис. 6. Графики изменения температуры и температурных полей во времени
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБСУЖДЕНИЕ
В ходе проведенных исследований апробирована методика подбора оптимальной огнезащиты с помощью численных методов расчета.
При анализе результатов, полученных на примере стальной балки с облицовкой из ГКЛО, с использованием аналитического и численного методов расчета была получена хорошая сходи-
мость — 2,53 %. На основании полученных результатов можно сделать вывод о том, что использование численных методов позволяет оперативно и оптимально подбирать требуемую толщину огнезащиты для стальной конструкции.
Стоит отметить, что результаты расчетов сильно зависят от заданных характеристик рассматриваемых материалов, а также среды, в которой происходит теплопередача.
t
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Черкасов Е.Ю., Воронцова А.А., Мить-ко А.В. Огнестойкость стальных конструкций при воздействии стандартного и углеводородного режимов пожара // Neftegaz.RU. 2021. № 12 (120). С. 100-102.
2. Волгина Д.И. Огнезащита металлоконструкций производственных зданий за счет применения огнезащитных красок вспучивающегося типа // Аллея науки. 2018. Т. 5. № 5 (21). С. 1113-1116.
3. Воросин А.О., Парфененко А.П. Исследование влияния прогрева от второстепенных стальных конструкций без огнезащиты на предел огнестойкости стальных балок в огнезащите // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2021. Т. 30. № 3. С. 16-30. DOI: 10.22227/08697493.2021.30.03.16-30
4. Голованов В.И., Шкутова Т.В. Оценка огнестойкости стальных конструкций с огнезащитой при углеводородном температурном режиме // Актуальные вопросы архитектуры и строительства : мат. XVII Междунар. науч.-техн. конф. 2018. С. 415-420.
5. Голованов В.И., Пронин Д.Г. Вопросы нормирования огнестойкости несущих конструкций зданий // Актуальные проблемы пожарной безопасности : мат. XXXIII Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. Году науки и технологий. 2021. С. 518-522.
6. Лебедь А.А. Методы огнезащиты металлических конструкций // Наука. Техника. Технологии (политехнический вестник). 2020. № 4. С. 287-291.
7. Маковей В.А. Применение огнезащиты материалов, изделий и конструкций и современные тенденции в ее совершенствовании // Чрезвычайные ситуации: промышленная и экологическая безопасность. 2015. № 4 (24). С. 28-36.
8. Маковей В.А. О современных требованиях к применению и эксплуатации средств огнезащиты // Чрезвычайные ситуации: промышленная и экологическая безопасность. 2013. № 3-4 (15-16). С. 44-52.
9. Полевода И.И., Иваницкий А.Г., Жамой-дик С.М., Проровский В.М. Программное средство для расчета динамики прогрева стальных конструкций с конструктивной огнезащитой // Пожарная безопасность: проблемы и перспективы. 2010. Т. 1. № 1 (1). С. 207-210.
10. ПехотиковА.В., ГоршковВ.С., ГомозовА.В., Фомина О.В. Новые требования к огнестойкости строительных конструкций и средств огнезащиты // Безопасность труда в промышленности. 2022. № 5. С. 22-28. DOI: 10.24000/0409-2961-2022-5-22-28
11. Страхов В.Л., Гаращенко А.Н. Огнезащита строительных конструкций: современные средства и методы оптимального проектирования // Строительные материалы. 2002. № 6. С. 2-5.
12. Можарова Н.П. Составы для огнезащиты строительных конструкций различного назначе-
ния // Пожаровзрывобезопасность. 2005. Т. 14. № 5. С. 31-33.
13. Ерохов К.Л. Современная огнезащита для строительных конструкций и текстиля // Строительные материалы. 2002. № 6. С. 14-15.
14. Майоров А.В., Мандрико Д.Е. Специальный метод огнезащиты стальных несущих элементов // Современные научные исследования и разработки. 2018. № 10 (27). С. 534-536.
15. Белов Н.Н., Семенов А.Ю., Зыков А.П., Чур-кин А.А., Борно О.И., Илюшин Д.Б. и др. Огнезащита стальных конструкций зданий и сооружений опасных производственных объектов — одна из составляющих обеспечения промышленной безопасности // Естественные и технические науки. 2015. № 6 (84). С. 622-625.
16. Рязанова Г.Н., Горелов С.А., Прокопье-ва А.Ю. Оценка эффективности современных способов огнезащиты стальных конструкций // Итоги научно-исследовательской деятельности 2016: изобретения, методики, инновации : сб. мат. XVII Междунар. науч.-практ. конф. 2016. С. 130-132.
17. Орловский С.Я., Ершова Л.В., Герасименко В.Н. Огнезащита металлических конструкций зданий и сооружений // Инновационная наука. 2015. № 12-2. С. 50-52.
18. Gravit M.V., Golub E.V., Grigoriev D.M., Ivanov I.O. Fireproof suspended ceilings with high fire resistance limits // Magazine of Civil Engineering. 2018. Issue 8 (84). Pp. 75-85. DOI: 10.18720/ MCE.84.8
19. Imran M., Liew M.S., NasifM.S. Experimental Studies on Fire for Offshore Structures and its Limitations: A Review // Chemical Engineering Transactions. 2015. Vol. 45. Pp. 1951-1956. DOI: 10.3303/ CET1545326
20. Imran M., Liew M.S., Nasif M.S., Niazi U.M., Yasreen A. Hazard assessment studies on hydrocarbon fire and blast: An overview // Advanced Science Letters. 2017. Vol. 23. Pp. 1243-1247. DOI: 10.1166/ asl.2017.8349
21. Kraus P., Mensinger M., Tabeling F., Schaumann P. Experimental and numerical investigations of steel profiles with intumescent coating adjacent to space-enclosing elements in fire // Journal of Structural Fire Engineering. 2015. Vol. 6. Issue 4. Pp. 237-246. DOI: 10.1260/2040-2317.6.4.237
22. BronzovaM.K., Garifullin M.R. Fire resistance of thin-walled cold-formed steel structures // Construction of Unique Buildings and Structures. 2016. Vol. 3 (42). Pp. 61-78.
23. Paya-Zaforteza I., GarlockM.E.M. A 3D numerical analysis of a typical steel highway overpass bridge under a hydrocarbon fire // Structures in Fire — Proceedings of the Sixth International Conference, SiF'10. 2010. Pp. 11-18.
ce
CD
GO
Поступила в редакцию 20 сентября 2022 г. Принята в доработанном виде 27 сентября 2022 г. Одобрена для публикации 27 сентября 2022 г.
Об авторах: Артем Анатольевич Бунов — кандидат технических наук, инженер научно-исследовательской лаборатории «Надежность и сейсмостойкость сооружений»; Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ); 129337, г Москва, Ярославское шоссе, д. 26; a_bunov@mail.ru;
Нина Викторовна Корнилова — инженер; ЭталонПроект; 115035, г. Москва, Садовническая ул., д. 11; nina.kornilova2@gmail.com. Вклад авторов:
Бунов А.А. — научное руководство, концепция исследования, численные исследования, итоговые выводы. Корнилова Н.В. — численные исследования, доработка текста. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
If?
п
(Л
и
еч
INTRODUCTION
In addition to standard structural loading conditions, buildings may be exposed to accidents, including explosions and fires, which create an environment of high temperatures. The critical temperatures at which steel structures begin to lose their bearing capacity start at 400 °C. The loss of the load-bearing capacity by framing elements can lead to the collapse of the building and loss of service life, so ensuring the necessary fire resistance of building structures is a relevant task.
In order to create the required reliability of the building for the perception of temperature effects on the structural elements, fire resistance limits — the time interval between the beginning of the fire exposure in the standard tests and the onset of the normalized limit state of the tested structure are established. The required fire resistance limit can be achieved by using an optimally selected fire protection material (lacquers, paints, various types of cladding) and its thickness [1-10].
The solution of the temperature problem for building structures is labor-intensive due to the complex spatial shape of structures and the influence of many factors. To date, the most complete consideration of all factors when solving the temperature problem is possible only by using the finite element method (FEM) [11-23].
The purpose of this work is to develop a technique for selecting the optimum fire protection of steel structures with the help of numerical methods implemented using Lira 10.12 software package.
MATERIALS AND METHODS
Let's consider the effect of fire protection in the form of cladding from gypsum plasterboard fire-resistant sheets (FRGSh) 35 mm thick using the example of a metal hinged beam with a span of l = 12 m.
The cross-section of an I-beam No. 45B2 is accepted according to the standard1. The I-beam is made of steel C345 (R = 345 MPa). Normative load on the beam qn = 15 kN/m (Fig. 1). For FRGSh we take the value of thermal conductivity coefficient K = 0.412 W/(m°C). Surface heat transfer coefficient Kt = 6 W/(m2°C).
Let's determine the fire resistance limit for the adopted fireproofing option using two methods:
• analytical method (according to the standard2, 3);
• numerical method (Lira 10.12).
The analytical method consists of several stages and is based on the laboratory studies of fire resistance, as a result of which nomograms are obtained.
The numerical method is implemented in Lira 10.12 in the system "Thermal conductivity" in the time domain. An implicit integration scheme is used to solve the unsteady thermal conductivity problem:
[c ]• ^+[k ]T+1 = F,,
(1)
where T+v T . are vectors of temperatures at the current and next moments; Ax is time step (discretization step); F . is vector of the right part at the current moment.
To solve the problem, it is necessary to simulate the KE-scheme (Fig. 2).
77777
Fig. 1. Beam load distribution
1 GOST R 57837-2017. Hot-rolled steel T-beams with parallel edges of flanges. Technical conditions.
2 STO ARSS 11251254.001-018-03. Design of fire protection of load-bearing steel structures using different types of cladding.
3 STO ARSS 11251254.001-016. Designing fire protection of load-bearing steel structures of multi-apartment residential buildings.
The value of the temperature effect is determined in accordance with GOST4, as for the standard temperature regime:
T-T0 =345 lg(8i + l),
(2)
where T is the temperature in the furnace corresponding to time t, °C; T0 is the temperature in the furnace before the start of heat exposure, °C; t is the time calculated from the start of the test, min.
The graph of temperature exposure is shown in Fig. 3.
The temperature impact is given to the FRGSh cladding layer through the surface heat transfer layer. The surface heat transfer layer is made as one-dimensional elements, which are applied to model the Newton - Richman boundary condition:
q = a (T-T0),
(3)
where q is the heat flux power through a unit area on the boundary of the medium; a is the surface heat transfer coefficient.
RESEARCH RESULTS
To use the analytical method, we first perform a strength calculation to determine the critical temperature of the structure under study. For bendable elements it is necessary to calculate yt, the temperature coefficient of steel resistance reduction:
% =
M„
W+R
(4)
where Mn is the maximum bending moment from the standard load, Nm; W is the moment of resistance
Dynamic load (knot forces) Point Z = 0
L O
Surface heat transfer layer
o
Sheet layer (thickness 35 mm)
Metal layer (reduced thickness, 7.44 mm)
Fig. 2. KE-scheme
1052,5000
t, °C
10,000,00
Fig. 3. Temperature exposure graph
M
WS
es M
' GOST 30247.0-94. Building structures. Test methods for fire resistance. General requirements.
Z
of the section, m3; Ryn is the standard resistance of steel Using Table 3 [15], let's set the critical tempera-
to yield strength, Pa. ture of the rod tcr:
The value of M depends on the support scheme
n t = 520 38 °C
of the structure and the load application scheme. For cr
the case of a uniformly loaded hinged beam: Next, we determine the thickness of the metal:
F 9 676
«_ qn-H_ iH22._ 27ckh.m, 5- - -F - 97306 - 744 (6)
" 8 8 , (5)
__270-10__ o 527 Using nomograms [15] and the critical tempera-
14.86 -10-4 + 345 -106 . . ture, determine the fire resistance limits ij and t2. We
^m mm i \
in eo
CO CO
CN
12
Reduced thickness of metal, mm Thickness of FRGSh fireproof cladding
^^ 15 mm * 20 mm 25 mm 30 mm
--35 mm 40 mm 45 mm 50 mm
240 230 220 210 200 190 180 170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
Fire resistance of steel structures with FRGSh fireproof cladding at t = 500 °C
Fig. 4. Nomograms tcr1 = 500 °C and tcr2 = 550 °C
choose nomograms with the closest values of critical temperature tcr1 = 500 °C and tcr2 = 550 °C and for the given thickness of metal two values of the fire resistance limit are found (Fig. 4):
ij = 148 min; x2 = 155.5 min.
By interpolating this segment, we obtain the value of the fire resistance limit at t = 520.38 °C:
cr
x, = 151.08 min.
3 4 5 6 7 8 9 Reduced thickness of metal, mm Thickness of FRGSh fireproof cladding
11 12
15 mm 20 mm 25 mm 30 mm
35 mm 40 mm 45 mm 50 mm
Fire resistance of steel structures with FRGSh fireproof cladding at t = 550 °C
Let's make calculations and get the results using the numerical method in Lira 10.12. The results of calculations are provided below (Fig. 5, 6).
According to the results of numerical calculation, the metal of the beam reached the temperature t = 520.38 °C at a time of 9,300 s, which is 155.0 min.
cr
Let us determine the error of the results obtained in Lira 10.12 in comparison with the analytical solution:
A =
|151.08 -155.0|
155.0
100 % = 2.53 %.
(7)
Temperature field by elements (°C)
:
:
520.31 535.91 551.5
2..9,300. 9,300 moment of time (t = 9,299 s) min = 520.3 (857); max = 645.1 (536) Mark Z = 0
567.09
582.69
598.28
613.87
629.47
-X
624.1 614.12
S24.1 614.12
S24.1 614.12
S24.1 614.12
S24.1 614.12
624.1 614.12
S24.1 614.12 60
624.1 614.12 60
624.1 614.12 60
624.1 614.12
624.1 614.12 60
¡5.19 586.26 577.6!
595.19 586.26 577.6!
¡5.19 586.26
¡5.19 586.26 577.6!
¡5.19 586.26 577.6!
48 595.19 586.26
¡6.26 577.7
¡6.26 577.7
48 595.19 586.26
595.2 586.26
561.68 554.24 547.2 540.54 534.29 528.44 523.01
561.68 554.24 547.2 540.54 534.29 528.44 523.01 S
554.24 547.2 540.54 534.29 528.44 523.01 S
554.24 547.2 540.54 534.29 528.44 523.01
561.68 554.24 547.2 540.54 534.29 528.44 523.01
49 595.2 586.27 577.7 569.5
554.24 547.2 540.54 534.29 528.44 523.01 E
561.68 554.24 547.2 540.54 534.29 528.45 523.01
561.68 554.24 547.2 540.54 534.29 528.45 523.01
561.68 554.24 547.2 540.55 534.29 528.45 523.01
561.68 554.25 547.2 540.55 534.29 528.45 523.01
561.68 554.25 547.2 540.55 534.29 528.45 523.01
645.06
Fig. 5. Mosaic of the temperature field in the elements according to the thickness of the structure
Y
Z
Рис. 6. Graphs of temperature changes and temperature fields over time
CONCLUSION AND DISCUSSION
In the course of this research, a methodology for selecting the optimum fire protection using numerical calculation methods was tested.
When analyzing the results obtained on the example of a steel beam with FRGSH cladding using analytical and numerical calculation methods, a good convergence of 2.53 % was obtained. Based on the results
obtained, it can be concluded that the use of numerical O
methods makes it possible to quickly and optimally se- 1 lect the required thickness of fire protection for the steel
structure. s
It is worth noting that the calculation results are highly dependent on the given characteristics of the ma- u terials in question, as well as the environment in which the heat transfer occurs.
CD
ел
REFERENCES
in n
CO CO
CN
1. Cherkasov E.Yu., Voroncova A.A., Mit'ko A.V Fine resistance of steel structures exposed to standard and hydrocarbon fire regimes. Neftegaz.RU. 2021; 12(120): 100-102. (rus.).
2. Volgina D.I. Fire protection of metal structures of industrial buildings through the application of fire protective paints of invancing type. Alley of Science. 2018; 5(5):(21):1113-1116. (rus.).
3. Vorosin A.O., Parfenenko A.P. The research into the heating effect of secondary steel structures, having no fire proofing, on the fire resistance of fireproof steel beams. Fire and Explosion Safety. 2021; 30(3):16-30. DOI: 10.22227/0869-7493.2021.30.03.16-30 (rus.).
4. Golovanov VI., Shkutova T.V. Evaluation of fire resistance of steel structures with fire protection under hydrocarbon temperature conditions. Actual Issues of Architecture and Construction: Proceedings of the Seventeenth International Scientific and Technical Conference. 2018; 415-420. (rus.).
5. Golovanov VI., Pronin D.G. Standardization issues of load-bearing buildings structures fire resistance. Actual problems of fire safety: materials of the XXXIII International scientific and practical conference dedicated to the Year of Science and Technology. 2021; 518-522. (rus.).
6. Lebed A.A. Methods for fire protection of metal structures. The science. Technique. Technologies (polytechnic bulletin). 2020; 4:287-291. (rus.).
7. Makovej VA. Application of fire protection of materials, products and structures and modern trends in its improvement. Emergencies: Industrial and Environmental Safety. 2015; 4(24):28-36. (rus.).
8. Makovej VA. On modern requirements for the use and operation of fire protection means. Emergencies: Industrial and Environmental Safety. 2013; 3-4(15-16): 44-52. (rus.).
9. Polevoda I.I., Ivanickij A.G., Zhamojdik S.M., Prorovskij VM. Software tool for calculation of heating dynamics of steel structures with structural fire protection. Fire Safety: Problems and Prospects. 2010; 1(1):(1): 207-210. (rus.).
10. Pekhotikov A.V, Gorshkov VS., Gomozov A.V, Fomina O.V. New requirements for the fire resistance of the building structures and fire protection equipment. Labor Safety in Industry. 2022; 5:22-28. DOI: 10.24000/ 0409-2961-2022-5-22-28 (rus.).
11. Strakhov V.L., Garashchenko A.N. Fire protection of building structures: modern means and methods of optimal design. Construction Materials. 2002; 6: 2-5. (rus.).
12. Mozharova N.P. Compositions for fire protection of building structures for various purposes. Fire andExplosion Safety. 2005; 14(5):31-33. (rus.).
13. Erokhov K.L. Modern fire protection for building structures and textiles. Construction Materials. 2002; 6:14-15. (rus.).
14. Maiorov A.V., Mandriko D.E. Special method of fire protection of steel load-bearing elements. Modern Research and Development. 2018; 10(27): 534-536. (rus.).
15. Belov N.N., Semenov A.Yu., Zykov A.P., Churkin A.A., Borno O.I., Ilyushin D.B. et al. Fire protection of steel structures of buildings and structures of hazardous production facilities is one of the components of ensuring industrial safety. Natural and Technical Sciences. 2015; 6(84):622-625. (rus.).
16. Ryazanova G.N., Gorelov S.A., Prokopye-va A.Yu. Evaluation of the effectiveness of modern methods of fire protection of steel structures. Results of research activities in 2016: inventions, methods, innovations: collection of materials of the XVII international scientific and practical conference. 2016; 130-132. (rus.).
17. Orlovsky S.Ya., Ershova L.V., Gerasimen-ko VN. Fire protection of metal structures of buildings and structures. Innovative Science. 2015; 12-2:50-52. (rus.).
18. Gravit M.V., Golub E.V., Grigoriev D.M., Ivanov I.O. Fireproof suspended ceilings with high fire resistance limits. Magazine of Civil Engineering. 2018; 8(84):75-85. DOI: 10.18720/MCE.84.8
19. Imran M., Liew M.S., Nasif M.S. Experimental studies on fire for offshore structures and its limitations: A review. Chemical Engineering Transactions. 2015; 45:1951-1956. DOI: 10.3303/CET1545326
20. Imran M., Liew M.S., Nasif M.S., Niazi U.M., Yasreen A. Hazard assessment studies on hydrocarbon fire and blast: An overview. Advanced Science Letters. 2017; 23:1243-1247. DOI: 10.1166/asl.2017.8349
21. Kraus P., Mensinger M., Tabeling F., Schaumann P. Experimental and Numerical Investigations of Steel Profiles with Intumescent Coating Adjacent to Space-Enclosing Elements in Fire. Journal of Structural Fire Engineering. 2015; 6(4):237-246. DOI: 10.1260/2040-2317.6.4.237
22. Bronzova M.K., Garifullin M.R. Fire resistance of thin-walled cold-formed steel structures. Construction of Unique Buildings and Structures. 2016; 3(42):61-78.
23. Paya-Zaforteza I., Garlock M.E.M. A 3D numerical analysis of a typical steel highway overpass bridge under a hydrocarbon fire. Structures in Fire — Proceedings of the Sixth International Conference, SiF'10. 2010; 11-18.
Received September 20, 2022.
Adopted in revised form on September 27, 2022.
Approved for publication on September 27, 2022.
Bionotes: Artem A. Bunov — Candidate of Technical Sciences, Engineer of the Research Laboratory "Reliability and Seismic Resistance of Structures"; Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU); 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; a_bunov@mail.ru;
Nina V. Kornilova — engineer; EtalonProject; 11 Sadovnicheskaya st., Moscow, 115035, Russian Federation; nina.kornilova2@gmail.com.
Contribution of the authors:
Artem A. Bunov — conceptualization, numerical calculations, scientific editing of the text, final conclusions. Nina V. Kornilova — numerical calculations, data gathering and processing, writing of the article. The authors declare no conflict of interest.
